중국과학기술대학교(USTC)의 천 웨이 교수가 이끄는 연구팀은 수소 가스를 음극으로 사용하는 새로운 화학 배터리 시스템을 개발했습니다. 이 연구는Angewandte Chemie 인터내셔널 에디션.
수소(H2)는 우수한 전기화학적 특성으로 인해 안정적이고 비용 효율적인 재생 에너지 운반체로 주목을 받고 있습니다. 그러나 기존의 수소 기반 배터리는 주로 수소를 사용합니다.2음극으로 사용되면 전압 범위가 0.8~1.4V로 제한되고 전체 에너지 저장 용량이 제한됩니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 연구팀은 수소를 활용하는 새로운 접근법을 제안했습니다.2에너지 밀도와 작동 전압을 크게 향상시키기 위해 양극으로 사용되었으며, 리튬 금속을 음극으로 사용했을 때 배터리는 탁월한 전기화학적 성능을 나타냈습니다.
리튬-수소 배터리의 개략도. (이미지 제공: USTC)
연구원들은 리튬 금속 양극, 수소 음극 역할을 하는 백금 코팅 가스 확산층, 고체 전해질(Li)을 통합한 프로토타입 Li-H 배터리 시스템을 설계했습니다.1.3Al0.3Ti1.7(우편번호4)3또는 LATP). 이 구성은 원치 않는 화학적 상호작용을 최소화하면서 효율적인 리튬 이온 수송을 가능하게 합니다. 테스트를 통해 Li-H 배터리는 약 3V의 안정적인 전압을 유지하면서 2825Wh/kg의 이론 에너지 밀도를 보였습니다. 또한, 99.7%의 뛰어난 왕복 효율(RTE)을 달성하여 충전 및 방전 사이클 중 에너지 손실을 최소화하고 장기적인 안정성을 유지했습니다.
비용 효율성, 안전성 및 제조 용이성을 더욱 향상시키기 위해 연구팀은 사전 설치된 리튬 금속이 필요 없는 애노드 없는 Li-H 배터리를 개발했습니다. 이 배터리는 리튬염(LiH)으로부터 리튬을 증착합니다.2PO4충전 중 전해질 내 LiOH(및 LiOH)를 포함합니다. 이 버전은 표준 Li-H 배터리의 장점을 유지하면서 추가적인 이점을 제공합니다. 98.5%의 쿨롱 효율(CE)로 효율적인 리튬 도금 및 박리가 가능합니다. 또한, 낮은 수소 농도에서도 안정적으로 작동하여 고압 H₂ 저장 장치에 대한 의존도를 줄입니다. 밀도 함수 이론(DFT) 시뮬레이션과 같은 전산 모델링을 수행하여 배터리 전해질 내에서 리튬 이온과 수소 이온이 어떻게 이동하는지 파악했습니다.
리튬-수소 배터리 기술의 획기적인 발전은 재생 에너지 그리드, 전기 자동차, 심지어 항공우주 기술까지 아우르는 첨단 에너지 저장 솔루션에 새로운 가능성을 제시합니다. 기존 니켈-수소 배터리에 비해 리튬-수소 시스템은 향상된 에너지 밀도와 효율을 제공하여 차세대 전력 저장 분야의 강력한 후보로 자리매김했습니다. 양극이 없는 이 시스템은 더욱 비용 효율적이고 확장 가능한 수소 기반 배터리의 기반을 마련합니다.
논문 링크:https://doi.org/10.1002/ange.202419663
(ZHENG Zihong 작성, WU Yuyang 편집)
게시 시간: 2025년 3월 12일